14
Heidelberger Taschenbiicher Band 197 Basistext Pharmazie
Heidelberger Taschenbiicher Band 197 Basistext Pharmazie
Liselotte Langhammer
Grundlagen der Pharmazeutischen Biologie
Begleittext zum Gegenstandskatalog GKP 1
Mit 64 farbigen und 222 schwarzweiBen Abbildungen
Springer-Verlag Berlin· Heidelberg' New York 1980
Professor Dr. Liselotte Langhammer Institut fiir Pharmakognosie und Phytochemie Konigin-Luise-StraBe 2-4 D-I000 Berlin 33
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Langhammer, Liselotte: Grundlagen der Pharmazeutischen Biologie: Begleittext zum Gegenstandskatalog GKP 1 Liselotte Langhammer, 1980. - Berlin, Heidelberg, New York: Springer 1980. (Heidelberger Taschenbiicher, Bd. 197: Basistext Phannazie)
ISBN-13: 978-3-540-09600-9 e-ISBN-13: 978-3-642-67404-4 DOl: 10.1007/978-3-642-67404-4
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Dbersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder iihnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfiiltigungen fiir gewerbliche Zwecke ist gemii8 § 54 UrhG eine Vergiitung an den Verlag zu zahlen, deren Hiihe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.
© Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1980
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handeisnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diilften.
Gesamtherstellung: Druckerei G. Appl, Wemding
2124/3020-543210
Vorwort
Das Wissen auf dem Gebiete der Biologie hat sich innerhalb weniger Jahre explosionsartig vermehrt. Ziel des vorliegenden Buches ist es, dem Anfanger trotzdem ein moglichst einpriigsames Bild vorzustellen. In ihm soll mit wenigen Strichen in bewuBt vereinfachender Darstellung jeweils Wesentliches, Typisches gezeichnet werden. Sonst geschieht es nur zu oft, daB die Stoff-Fiille dem Studierenden den Blick fUr Zusammenhange verstellt. Das Taschenbuch orientiert sich an dem Gegenstandskatalog 1 und ist fUr den Studierenden der Pharmazie eine Hilfe bei der Vorbereitung auf den ersten Abschnitt des Staatsexamens im Fach "Pharmazeutische Biologie". Der Betrachtung der Zelle (Cytologie) folgt ein gestraffter Oberblick liber Prototypen sekundiirer Pflanzenstoffe, aus deren Reihen sich die wichtigsten Arzneistoffe rekrutieren. Auch im Kapitel Genetik sind pharmazeutische Aspekte betont, so z. B. die Bedeutung parameiotischer Vorgange fUr die Resistenzentwicklung bei Bakterien. In der Physiologie werden Grundprinzipien des Lebensgeschehens dargelegt und so die Basis geschaffen flir das Verstandnis allgemein giiltiger biologischer Reaktionen und Zusammenhange. Das ist notig zur Bewiiltigung der Studieninhalte des 2. Ausbildungsabschnittes, nicht nur im Fach Pharmazeutische Biologie sondem gleichermaBen im Rahmen der Pharmakologie und Biochemie. Die Morphologie gibt AufschluB liber Bau und Gestalt der Pflanze, ihre GewebeTypen (Histologie) und liber die Anatomie des Cormus und seiner Drogen. Diese Grundlagen sind Voraussetzung fUr mikroskopische Identitiits- und Reinheitspriifungen, wie sie die Arzneiblicher fordem. Die Gliederung des Pflanzenreiches unter BerUcksichtigung pharmazeutisch wichtiger Pflanzenfamilien schlieBlich zeigt, wo und in welcher Weise die Stammpflanzen von Drogen und Arzneistoffen einzuordnen sind und welche Beziehungen sie zu anderen Pflanzen haben. Damit der Studierende nicht den unzutreffenden Eindruck gewinnt, aile in einem Examen abfragbaren Fakten seien einfach fertig vorgegeben, wird an ausgewiihlten Beispielen gezeigt, aufwelchen Wegen Wissenschaft "Wissen schafft", d. h. welche Fragestellungen, welche Experimente, welche Beobachtungen zur Erkenntnis der dargelegten Fakten flihrten. Nur so wird Verstandnis moglich, wobei sich das gediichtnismiiBige BehaIten dann oft wie von selbst ergibt. Und da das Verstehen der Natur am ehesten gelingt nach personlicher Beobachtung (die natiirlich nie in voller Breite realisierbar ist), sind in einem Anhang eioige praktische Obungsaufgaben angebo-
v
ten. So auch das Hamolyseverfahren als Exempel fiir eine biologische Priifmethode, die der Apotheker selbst durchfiihren kann. Die zahlreichen international iiblichen Fachausdriicke bereiten dem Studierenden anfangs besonders groBe Schwierigkeiten; das urn so mehr, wenn ihm die alten Sprachen wenig vertraut sind, aus denen sich die botanische Terminologie ethymologisch herleiten laBt. Aus diesem Grunde wurde ein m6glichst ausfiihrliches Glossar erstellt, das eine vergleichende Orientierung auch iiber ahnlich klingende Termini erlaubt. Die erstaunlichen Forschungsergebnisse der letzten Jahre sind so faszinierend, daB sie mit Recht aIle Aufmerksamkeit auf sich lenken. Das ist aber kein Alibi fiir Ignoranz gegeniiber ebenfalls wertvollem Wissensgut, das dem Menschen schon Ianger bekannt ist. So ist es nach wie vor notwendig, daB der Apotheker einen Oberblick erhaIt iiber den Arzneipflanzenschatz der Menschheit. Da erfahrungsgemiiB dem jungen Studierenden die Systematische Botanik arn schwersten zugiinglich ist, zurnal er heute kaurn noch Beziehung zur lebenden Pflanze hat - friiher legte jeder Apothekerpraktikant sein eigenes Herbar an -, wurde auf eine durch Farbtafeln bereicherte Illustration des Taschenbuches besonderer Wert gelegt. Dankenswerterweise hatte der Verlag fiir diesen Wunsch Verstiindnis. Die wiedergegebenen Aquarelle, die sowohl Arzneipfianzen als deren Drogen darstellen, halfen schon den Studierenden der Nachkriegsjahre bei dem darnaligen Berliner Pharmakognosten WERDERMANN. Er hatte sie von Heinz WOERN fiir seine Vorlesung zeichnen lassen (sie sind heute im Besitz des Botanischen Museums Berlin-Dahlem, dessen Leitung freundlicherweise die Reproduktion gestattete). So hofft der Autor, daB auch der Leser dieses Buches auf angenehme Weise eine Vorstellung erhait, wie z. B. die Pfianze aussieht, die das Morphin synthetisiert, oder das Strophanthin oder ein anderes Arzneimittel, das die Apotheke fiir den Kranken bereithiilt. Ein Literaturverzeichnis erleichtert den Zugang zu weiterfiihrender Literatur. Hinweise im Text beziehen sich auf Nummern des Gegenstandskatalogs, die im vorliegenden Buch jeweils als Orientierungshilfe arn linken Textrand vermerkt sind. Ich danke allen Kolleginnen und Kollegen, die Teile des Manuskriptes kritisch gelesen haben. Fiir Hilfe beim Lesen von Korrekturen gilt mein besonderer Dank Frau Dr. I. Christiansen, Frau M. Ensemeyer, Frau G. Schulze und Frau H. Thober. Den Darnen und Herren des Verlags danke ich fUr ihr Verstiindnis und die gute Zusammenarbeit. Last not least danke ich Herrn Professor Hiinsel (Berlin) fUr die Anregung, ein Lehrbuch in der Reihe der Heidelberger Taschenbiicher zu schreiben. Fiir konstruktive Kritik an dieser Erstauflage ist der Autor jederzeit dankbar.
Berlin, Februar 1980 Liselotte Langhammer
VI
Inhaltsverzeichnis
Cytologie 1
Die Zelle als Elementareinheit des Lebens 1 Definition und Funktion der Zelle 1 ZellgroBen . . . . . . . . . . . . . . . 1
Zelltypen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Typische Merkmale der Zelle der Eukaryonten 2 Die Zelle der Prokaryonten, insbesondere die Bakterienzelle 3
Das Protoplasma ................. 4 Stoffliche Zusammensetzung des Protoplasmas 5
Nucleinsauren 5 Proteine 8 Proteide ... 9 Lipide .... 9
Bedeutung der Makromolekiile, der lonen und des Wassers fUr die Zellfunktionen 11
Biomembranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bau der Biomembranen ................... 11 Plasmagrenzschichten, Cytoplasmamembran, Plasmalemma, Tonoplast ................... 12 Biomembranen innerhalb der Zelle, Prinzip der Kompartimentierung ............. 13 Funktionen von Biomembranen ........ 14
Grundbegriffe von aktivem und passivem Transport 16 Grundbegriffe von Erregung und Erregungsleitung 17
Zellorganellen 18 Zellkem = Nucleus 18 Plastiden . . . . . . 20 Mitochondrien . . . 21 Endoplasmatisches Reticulum = E. R. 22 Dictyosomen . . . . . . . . . . . . . 22
VII
Ribosomen . . . . . . . . . . . . . 24 Vacuolen . . . . . . . . . . . . . . 25
Prototypen sekundarer Pflanzenstoffe 26 Glykoside ............. 26
Herzwirksame Glykoside, Cardenolide 27 Anthraglykoside . . 28 Saponine . . . . . . 28 Bitterstoffglykoside 29 Cumarin-Vorstufen 29 SenfOlglykoside .. 30 Blausaureglykoside 30 Vacuolenfarbstoffe (Chymochrome) = Zellsaftpigmente 31
Gerbstoffe ..... 32 Schleime, Gummen 32 Alkaloide . . . . . . 33 Atherische Ole, Harze, Balsame 34
Kristalle 35 Starke . 36
Inulin 40
Histochemische Reaktionen 40
Zellwand .......... 43 Zellwand der Haheren Pflanzen 43 Zellwand der Pilze ... 52 Zellwand der Bakterien 52
Genetik ...... . . . . 57
Allgemeine Grundlagen 57 Verteilung der Erbanlagen bei Kreuzungen, Mendelsche Regeln .. . . . . . . . . . . . . . . 57 Begriffsdefinitionen ................ 61 Chromosomentheorie der Vererbung ....... 62 Extrachromosomale (extrakaryontische) Vererbung 64
Cytologische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . 65 Teilung einer Zelle in zwei erbgleiche Zellen = Mitose 65 Phasen der Zellteilung .... 66 Bildung der neuen Zellwand 68 Meiose = Reduktionsteilung 68 Stadien der Meiose . . . . . 70
VIII
Koppelungsgruppen, Koppelungsbruch, Faktorenaustausch ( crossing over) ..................... . Lineare Anordnung der Gene, Genlokalisation .... . Ableitung der Vererbungsregeln aus den Vorgangen der Meiose ........ . Meiotische Systeme .................. . Parameiotische Systeme ................ . Bedeutung parameiotischer Vorgange fUr die Resistenz-entwicklung bei Bakterien ..... .
Molekulare Grundlagen ....... . Struktur der Desoxyribonucleinsauren Struktur der Ribonucleinsauren ... Beweise fUr die Rolle der Nucleinsauren als Trager genetischer Information .............. . Ein Gen - Ein Polypeptid - Hypothese Der genetische Code . . . . . . . . . . . Proteinbiosynthese . . . . . . . . . . . .
Veranderungen des Erbgutes = Mutationen Mutation, Selektion, Evolution . . . . . . Spontane und induzierte Mutation; Mutagene Generative und somatische Mutation Mutationsraten . . . . . . Genommutationen . . . . Chromosomenmutationen Genmutationen
Physiologie
Wachstums- und Entwicklungsphysiologie Wachstumsphasen ..... . Endogene Wachstumsfaktoren . . . . . Exogene Wachstumsfaktoren ..... Okologische Faktoren der Entwicklung Wachstumsfaktoren von Mikroorganismen Entwicklung und Differenzierung
Regulation der Gen-Aktivitat . . . Hormone und Gen-Aktivitat
Grundziige der Stoffwechselphysiologie Die stoffliche Zusammensetzung des Pflanzenkorpers Grundpriozipien biochemischer Reaktionen Enzyme ...................... .
72 72
72 74 76
78
78 78 82
83 83 83 84
86 86 86 86 86 86 88 88
89
89 89 90 93 93 95 96 97
100
101 101 101 103
IX
Energieiibertragung und -speicherung mittels energiereicher Verbindungen ................. . 110 Photosynthese und Kohlendioxid-Assimilation . 112 Chemosynthese ........ 120 Atmung (Dissimilation) ........... 121 Glykolyse, alkoholische Giirung . . . . . . . 121 Citronensaurecyclus = Tricarbonsaurecyclus 125 Atmungskette, Elektronentransport, oxidative Phosphorylierung ............... 127
Phosphogluconatweg (= "Gluconat-Shunt" = oxidativer Pentosephosphatcyclus) . 130
Abbau von Kohlenhydraten 132 Aufbau von Kohlenhydraten 132 Gluconeogenese ... 133
Glyoxylsaurecyclus . 134 C4-Carbonsaureweg . 136
Aufbau von Fetten . . . 138 Abbau der Fette ... . 139 Assimilation des Stickstoffs . 141 N2-Bindung ...... . 143 Nitratatmung . . . . . . . 143 Stickstoff - Stoffwechsel . 144 Heterotrophie ..... . 145 Saprophytismus, Parasitismus, Symbiose . 145
Knollchenbakterien der Leguminosen . 146 Wasserhaushalt, Mineralstoffwechsel und Stoffleitung . 148
Morphologie - die Lehre von der Gestalt 152
Morphologische Organisationsstufen
Protophyta ........ . Thallophyta . . . . . . . . . Cormophyta = Cormobionta
152
152 . 153 . 155
Histologie - Gewebelehre . . . . . 156
Meristeme oder Bildungsgewebe 156
Dauergewebe . . . . . . . . . . 156 Form- und Struktureigentiimlichkeiten einzelner Zellen 157
x
Haut- oder AbschluBgewebe der Pflanze Grundgewebe . . . . . . . . . . . . .
Das Grundgewebe im engeren Sinne Der Exkretion dienende Gewebe F estigungsgewebe
Leitgewebe = Stranggewebe Bau der Leitbiindel . . . . .
159 165 165 165
. 170
174 182
Anatomie (Morphologie und Histologie) des Cormus ... 185
Die SproBachse . . . . . . . 186 Anordnung der Leitbiindel 188
Ligna-Drogen . . . . . . . . 191 Cortex-Drogen . . . . . . . 193 Die Wurzel- Radix-Drogen 194
Der morphologisch-anatomische Bau der echten Wurzel 194
Das Blatt - Folia-Drogen ......... 198 Die Bliite - Flores-Drogen - Bliitenstande . 207 Die Frucht - Fructus-Drogen . 229 Der Samen - Semina-Drogen . 233
Gliederung des PfIanzenreiches unter Beriicksichtigung pharmazeutisch wichtiger PfIanzenfamilien . . . . . . . .240
Systematik ............................. 240 Das Ziel: Die Aufkliirung der Stammesgeschichte des Pflanzen-reiches .............................. 241 Der Weg: Versuch einer Rekonstruktion stammesgeschichtlicher Entwicklungsreihen (Progressionen) . 241 Abstammungslehre . . 242 Evolutionsforschung . 244 Phylogenetik . 246 Taxonomie . . 246 Tenninologie . 246 Nomenklatur . 247 Grundziige der vennutlichen stammesgeschichtlichen Zusammenhiinge zwischen groBen Verwandtschaftsgruppen (Abteilungen) .......................... 248
XI
Prokary()nta . . . . . . . . . . . .
Allgemeine Charakterisierung
Bacteriophyta = Bakterien . . . Eubacteriales . . . . . . . . . Actinomycetales = Strahlen"pilze"
Eukaryonta ........... .
Algen ............. . Allgemeine Charakterisierung Auswahl einiger Taxa von praktischer Bedeutung
Rhodophyta = Rotalgen . . . . .
Chrysophyta .......... . Bacillariophyceae = Kieselalgen
Phaeophyta = Braunalgen Laminariales . . . . . Fucales ........ .
Mycota = Fungi = Pilze . Allgemeine Charakterisierung Auswahl einiger Taxa von praktischer Bedeutung Zygomycetes = Jochpilze ... Ascomycetes = Schlauchpilze . Basidiomycetes = Standerpilze
Lichenes = Flechten ..... .
Pteridophyta = Farnpflanzen . . . . . . . . . . . . Allgemeine Charakterisierung . . . . . . . . . . Auswahl einiger Taxa von praktischer Bedeutung Biirlappgewachse . . . . Lycopodiaceae ..... Schachtelhalmgewachse Equisetaceae . Famgewachse Polypodiaceae
· 250
· 250
· 253 · 253 · 254
· 258
.258
.258
.259
.259
.260
.260
.260
.261 · 261
.264
.264
.268
.268
.268
.273
.275
.277
.277
.277
.277
.277
.278
.278
.279
.279
Spermatophyta = SamenpOanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Coniferophytina = Gymnospermae p. p. = Nacktsamer p. p. . 281 Pinaceae = Nadelholzerp.p. .281 Cupressaceae = Zypressengewachse . . . . . . . . . . .. . 283
XII
Cycadophytina = Gymnospermae p. p. = Nacktsamer p. p. . 284 Ephedraceae = Meertraubelgewachse . . . . . . . . . . .. . 284
Magnoliophytina = Angiospermae = Bedecktsamer . 285
Magnoliatae = Dicotyledoneae = Zweikeimblattrige Bedecktsamer ..................... . 285
Lauraceae = Lorbeergewachse . 288 Piperaceae = Pfeffergewachse . . 291 Ranunculaceae = HahnenfuBgewachse . 292 Papaveraceae = Mohngewachse . . . 296 Caryophyllaceae = Nelkengewachse . 298 Polygonaceae = Kn6terichgewachse . 299 Fagaceae = Buchengewachse ... . 300 Cannabaceae = Hanfgewachse . 302 Brassicaceae = Cruciferae = Kreuzbliitler . 305 Tiliaceae = Lindengewachse . . 307 Malvaceae = Malvengewachse . . . . . . . . 308 Rosaceae = Rosengewachse . . . . . . . . . 311 Fabales = Leguminosae = Hiilsenfriichtler . 317 Mimosaceae = Mimosengewachse . . . . . . 317 Caesalpiniaceae = Sennesgewachse .... . 318 Fabaceae = Papilionaceae = Schmetterlingsbliitler . 320 Myrtaceae = Myrtengewachse . 326 Rutaceae = Rautengewachse ....... . 327 Linaceae = Leingewachse . . . . . . . . . . 330 Apiaceae = Umbelliferae = Doldenbliitler . 330 Rhamnaceae = Kreuzdomgewachse . . . 333 Euphorbiaceae = Wolfsmi1chgewachse . 334 Primulaceae = Primelgewachse .. . 336 Ericaceae = Heidekrautgewachse . . 336 Loganiaceae = Strychnosgewachse . 340 Rubiaceae = R6tegewachse . . . . . 341 Apocynaceae = Hundsgiftgewachse . 344 Gentianaceae = Enziangewachse . . 346 Caprifoliaceae = GeiBblattgewachse . 348 Valerianaceae = Baldriangewachse . 348 Oleaceae = Olbaumgewachse . . . . . 349 Solanaceae = Nachtschattengewachse . 350 Scrophulariaceae = Rachenbliitler . . . 353 Lamiaceae = Labiatae = Lippenbliitler . 355
XIII
Cichoriaceae = Compositae p. p. (Liguliflorae) = Korbbliitler p. p. . . . . . . . . . . . . . . . Asteraceae = Compositae p. p. (Tubullflorae) = Korbbliitler p. p. . . . . . . . . . . . . . . .
Liliatae = Monocotyledoneae = Einkeimbliittrige Bedeckt-samer .............. .
Liliaceae = Liliengewiichse .... Zingiberaceae = Ingwergewiichse . Poaceae = Gramineae = SiiBgriiser
.360
. 361
. 368
.371
.375
.377
Anbang ........................ . .382
Das Hiimolyseverfahren als biologische Priifmethode . 382 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Mikroskopische Obungen zum Thema: . . . . . . . . . . 390 Die Zelle - Form- und Struktureigentiimlichkeiten . . 390 Haut- und AbschluBgewebe, physiologische Scheiden . 392 Grundgewebe .................. . 393 Stranggewebe .................. . 395 Leitbiindelbau und -anordnung in der SproBachse . 396 Cortex ..................... . 397 Wurzel, jung (im Primiirzustand) . . . . . . . . . 398 Wurzel, alt (mit sekundiirem Dickenwachstum) . 399 Folia . . 402 Flores, .404 Fructus . 406 Semina .407
Thermomikromethoden . 410 Arbeitstechnik . 411
Literatur . . . . . . . 415
Farbtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
G10ssar ......... .
Botanische Terminologie Erliiuterung biologischer Fachausdriicke
XIV
.433
.433
.433
LiteratDrverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Sachverzeichnis 449
ZuordnungstabeUe: Lernziel - Seitenzahl 484
